Zweimal hieß es: "Es werde Licht" - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Zweimal hieß es: "Es werde Licht"

Gemäß der Bibel (Buch Genesis 1,3) reichte ein Wort Gottes, um die Welt zu erleuchten. Doch neuere astronomische Ergebnisse deuten darauf hin, dass ihm die „kosmische Funzel“ wieder ausgegangen ist und er sich ein zweites Mal bemühen musste. Aus dem Licht weit entfernter Quasare schließen jetzt zwei Astronomen, dass das Universum erst frühestens eine Milliarde Jahre nach dem Urknall für das Quasarlicht dauerhaft durchsichtig wurde. Die Forscher stellen ihre Arbeit im Fachmagazin Nature vor (Bd. 427, S. 815).

Bis etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall bestand das Universum aus Plasma, einem Materiezustand, bei dem Elektronen und Atomkerne nebeneinander existieren, ohne sich zu Atomen zu verbinden. Als das Universum abkühlte, konnten sich die Kerne und Elektronen zu Atomen vereinigen. Für einen Teil des Lichts wurde das Universum jetzt durchsichtig. Insbesondere das vom glühenden Plasma stammende Licht, das wir heute als kosmische Hintergrundstrahlung beobachten können, konnte das Universum jetzt weitgehend ungehindert durchdringen.

Doch für ultraviolettes Licht blieb das Universum undurchsichtig, weil die sich neu gebildeten Wasserstoffatome dieses Licht absorbierten. Astronomen nennen die Zeit nach der Plasma-Epoche deshalb das „Kosmische Dunkle Zeitalter“.

Nachdem sich die ersten Sterne gebildet hatten, ionisierte deren Strahlung nach und nach die Wasserstoffatome. Die Energie des Lichts trennte also die Elektronen wieder von den Atomkernen. Diesen Prozess nennen Astronomen die Reionisation des Universums. Dadurch wurde der Weg auch für UV-Licht frei, da die ionisierten Kerne keine weitere UV-Strahlung absorbieren konnten. So war das Dunkle Zeitalter beendet und das Universum wurde vom Licht der Sterne und Galaxien durchleuchtet.

Aus Daten der kosmischen Hintergrundstrahlung hatte man vor kurzem geschlossen, dass die Reionisation des Universums etwa 200 bis 500 Millionen Jahre nach dem Urknall stattfand. Doch aus der Analyse des Lichts weit entfernter Quasare folgern Abraham Loeb von der Harvard-Universität in Cambridge und Stuart Wyithe von der Universität Melbourne jetzt, dass es zwei Reionisationsphasen gab, das Licht im Universum also ein zweites Mal „eingeschaltet“ wurde.

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Quasare sind die leuchtstärksten Objekte im Universum. Ihre Leuchtkraft kann die einer normalen Galaxie um das 100.000-fache übersteigen. Verantwortlich dafür ist ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum eines Quasars. Beim „Verschlingen“ von Materie aus der Umgebung setzen diese Schwarzen Löcher eine gewaltige Lichtenergie frei.

Genau wie die ersten Sterne ionisierten auch die Quasare Wasserstoffatome in ihrer Umgebung. Im frühen Universum bildeten sich deshalb zunächst reionisierte „Blasen“ um Sterne und Quasare. Aus einer Analyse des Lichts zweier etwa 13 Milliarden Lichtjahre entfernter Quasare schließen Loeb und Wyithe, dass die von den Quasaren reionisierten Blasen von Gas umgeben sind, in dem sich ein Anteil von mehreren zehn Prozent nicht-ionisierten Wasserstoffgases befindet.

Das heißt: Zu dem Zeitpunkt, als das Licht ausgesandt wurde ? etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall ? waren große Teile des Universums noch nicht ionisiert. Das Universum befand sich also immer noch im Dunklen Zeitalter.

Einige andere Astronomen hatten bereits vermutet, dass die Reionisation im Universum zweimal stattfand. Die ersten Sterne, die einen Teil der Arbeit bereits erledigt hatten, explodierten zum Teil als Supernova. Damit unterbrachen sie die Bildung neuer Sterne in ihrer Umgebung und es gab nicht genügend „Nachfolger“, die die Reionisation nahtlos fortführten. Ein Teil des ionisierten Wasserstoffs konnte wieder Elektronen einfangen und zu neutralen, UV-Licht-absorbierenden Atomen mutieren. Erst die nächste Sternengeneration und Quasare vollendeten die Reionisation dann etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall – und schalteten das Licht im Universum dauerhaft ein.

Axel Tillemans
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